Donma sınırı (astrofizik)

Donma sınırı, kar çizgisi ya da buz çizgisi, astronomi veya gezegen biliminde, katı parçacık olarak yoğunlaşabilecek su, amonyak, metan, karbondioksit ve karbonmonoksit gibi uçucu bileşenler için sıcaklığın yeterince düşük olduğu, gezegenimsi bünyesine yığılma oluşturmasına imkan sağlayan güneş bulutsusunun merkezinde yer alan önyıldıza göre ölçülen minimum mesafedir. Bu sınırın ötesinde, tipik olarak yalnızca ağır bileşenler daha küçük boyutlu karasal gezegenlere doğru birikebilirken, bu bölgede bolca bulunan diğer gaz bileşenleri oldukça kolay şekilde gaz ve buz devlerinin oluşmasına imkan verecek ölçüde yoğunlaşabilir.

Terimin kendisi toprak bilimlerindeki yer altı sularının donabilir noktaya vardığı maksimum derinlik olarak tanımlanan "donma sınırı (frost line)" nosyonundan alıntıdır.

Her bir kararsız bileşenin kendine özgü bir donma noktası bulunduğundan (örneğin karbon monoksit, azot ve argon ), her ne kadar özellikle suyun donma noktası sıklıkla ihmal ediliyor olsa da hangi materyalin donma noktasına atıfta bulunulduğunun her zaman belirtilmesi önem arz etmektedir. Aksi takdirde tespit edilmesi zor olan malzemeler için bir izleyici gaz kullanılabilir (örneğin karbon monoksit için diazenylium).

Konum
Farklı uçucu bileşikler ön yıldız bulutsusunda farklı kısmi basınçlarda (dolayısıyla farklı yoğunluklarda) farklı yoğunlaşma sıcaklıklarına sahiptir, bu nedenle ilgili donma çizgileri farklılık gösterecektir. Su buzunun donma çizgisi için gerçek sıcaklık ve mesafe, bunu hesaplamak için kullanılan fiziksel modele ve teorik güneş bulutsusu modeline bağlıdır:

2,7 AU'da 170 K (Hayashi, 1981)
3,2 AU'da 143 K ila 3 AU'da 150 K (Podolak ve Zucker, 2010)
3,1 AU (Martin ve Livio, 2012)
μm boyutundaki taneler için ≈150 K ve km boyutundaki cisimler için ≈200 K (D'Angelo ve Podolak, 2015)

Donma çizgisinin konumu zaman içinde değişir, potansiyel olarak güneş kütleli bir yıldız için maksimum 17,4 AU yarıçapına ulaşır ve daha sonra azalmaya başlar.

Mevcut kar sınırı ile formasyon kar sınırı
Bulutsunun değişimine bağlı olarak yoğunlaşma/buharlaşma sınırının radyal konumu zaman içinde değişmektedir. Bazen kar çizgisi terimi, su buzunun kararlı olabileceği (doğrudan güneş ışığı altında bile) mevcut mesafeyi temsil etmek için de kullanılır. Bu mevcut kar çizgisi mesafesi, Güneş Sistemi'nin oluşumu sırasındaki kar çizgisi mesafesinden farklıdır ve yaklaşık olarak 5 AU'ya eşittir. Aradaki farkın nedeni, Güneş Sistemi'nin oluşumu sırasında güneş bulutsusunun Güneş'e yakın sıcaklıkların daha düşük olduğu opak bir bulut olması ve Güneş'in kendisinin daha az enerjili olmasıdır. Oluşumdan sonra buz, içeri giren toz tarafından gömülerek yüzeyin birkaç metre altında sabit kalmıştır. Eğer 5 AU içindeki buz, örneğin bir krater tarafından açığa çıkarılırsa, kısa zaman aralıklarında süblimleşir. Bununla birlikte, doğrudan güneş ışığı dışında buz, Güneş Sistemi'nin yaşı boyunca sıcaklığın çok düşük kalabileceği (örneğin Ay'da 30-40 K) kalıcı olarak gölgelenmiş kutup kraterlerinde bulunuyorsa, asteroitlerin (ve Ay ve Merkür'ün) yüzeyinde de sabit kalabilir.

Mars ve Jüpiter arasında yer alan asteroit kuşağı gözlemleri Güneş Sitemi'nin oluşumu sırasındaki su karlaşma çizgisinin bu bölgede kaldığını ortaya atmaktadır. Dış asteroitler buzlu C sınıfı nesnelerken iç asteroit kışağındaki asteroitler çoğunlukla sudan yoksundur. Bu durum gezegenimsi oluşum meydana geldiğinde kar çizgisinin Güneş'ten yaklaşık 2,7 AU mesafede yer aldığı anlamına gelmektedir.

Gezegen oluşumu
Donma çizgisinin ötesindeki bulutsuda daha düşük sıcaklık, çok daha fazla katı taneciğin gezegenimsilere ve nihayetinde gezegenlere birikmesini mümkün kılar. Bu nedenle donma çizgisi karasal gezegenleri Güneş Sistemi'ndeki dev gezegenlerden ayırır. Bununla birlikte, diğer bazı yıldızların etrafında donma çizgisinin içinde de dev gezegenler bulunmuştur (sıcak Jüpiter olarak adlandırılırlar). Bunların donma çizgisinin dışında oluştukları ve daha sonra içeriye doğru göç ederek şu anki konumlarına geldikleri düşünülmektedir. Donma çizgisine olan mesafenin dörtte birinden daha az bir mesafede bulunan ancak bir dev gezegen olmayan Dünya, metan, amonyak ve su buharının kaçmasını önlemek için yeterli kütle çekimine sahiptir. Metan ve amonyak, Dünya atmosferinde sadece biyokimyası bir zamanlar bol miktarda metan ve amonyak içeren yaşam formlarından (büyük ölçüde yeşil bitkiler) kaynaklanan oksijen bakımından zengin bir atmosferdeki dengesizliği nedeniyle nadir bulunur, ancak elbette böyle bir atmosferde kimyasal olarak kararlı olan sıvı su ve buz, yine de Dünya yüzeyinin çoğunu oluşturur.

Araştırmacılar Rebecca Martin ve Mario Livio, yakındaki dev gezegenlerin yörüngelerindeki gezegen oluşumunu bozması nedeniyle asteroit kuşaklarının donma çizgisi civarında oluşma eğiliminde olabileceğini öne sürmüşlerdir. Yaklaşık 90 yıldızın etrafında bulunan sıcak tozun ısısını analiz ederek, tozun (ve dolayısıyla olası asteroit kuşaklarının) tipik olarak donma çizgisine yakın bulunduğu sonucuna varmışlardır. Bunun altında yatan mekanizma, 1.000-10.000 yıllık zaman ölçeklerinde kar çizgisinin termal istikrarsızlığı olabilir ve bu da nispeten dar yıldız çevresi halkalarında toz malzemenin periyodik olarak birikmesine neden olur.

Ayrıca bakınız
Yıldız çevresi yaşanabilir bölge
Bulutsu hipotezi
Güneş bulutsusu

Kaynakça
Dış bağlantılar
Tozlu Öngezegen Disklerindeki Kar Hattında, DD Sasselov ve M. Lecar